超声增强绿色合成氧化锌的抗菌作用：食品安全表面去污的安全可持续策略

本研究创新性地将超声波（US）与香蕉皮提取物绿色合成的氧化锌（ZnO）纳米颗粒相结合，开发了一种高效、可持续的食品表面及清洗水去污策略。该ZnO+US联合处理对多种食源性病原体（如E. coli O157:H7）展现出>5-log的杀灭效果，且其效力在高浊度（高达1000 NTU）条件下依然稳定。机制研究表明，超声通过减少ZnO颗粒聚集、增强活性氧（ROS）生成，进而导致细菌脂质过氧化、DNA损伤及细胞结构破坏。该技术为食品加工中的微生物安全控制提供了绿色新途径。

　　

Highlight

本研究首次证明了利用香蕉皮提取物绿色合成的氧化锌（ZnO）纳米颗粒，在超声波（US）激活下，可用于食品表面和清洗水的去污，其功效即使在高浊度条件下也能保持。

引言

新鲜农产品是交易最广泛的食品类别之一。为了保持其品质和市场吸引力，这些产品通常在分销时仅进行最小程度的加工，尤其是不经过热处理。然而，有限的保鲜步骤与众多食源性疾病暴发有关。新鲜农产品中的病原体污染源于各种种植和处理环境，导致致病菌种类多样。这些暴发中涉及的主要细菌病原体包括大肠杆菌O157:H7、肠沙门氏菌鼠伤寒血清型和单核细胞增生李斯特菌。此外，诺如病毒也是全球范围内疫情的重要诱因，在食源性疾病病例中占很大比例。

在新鲜农产品加工中，微生物安全主要通过清洗和保鲜步骤来确保。因此，人们开发了各种干预方法来提高新鲜农产品的微生物安全性。化学消毒剂常用于清洗处理。例如，臭氧已被有效应用，并与氯、有机酸等其他试剂联用。然而，这些化学方法因其与清洗水中有机物的反应性而存在局限性。土壤颗粒、碎屑和其他有机材料会通过改变pH值或降低抗菌效果来干扰消毒剂。此外，这些反应可能导致消毒副产物（DBPs）的形成，例如当使用游离氯时会产生三卤甲烷（THMs）。再者，尽管这些处理存在可接受的剂量范围，但仍需进行优化以平衡微生物灭活与最小化潜在有害副产物。

为了解决传统化学消毒剂的局限性，人们探索了替代的物理消毒方法，如紫外线（UV）辐照和高压处理。尽管在实验室规模下有效，但这些技术在大规模工业应用中面临实际限制。近年来，活性氧（ROS）的使用作为一种有前景的非热消毒策略受到关注。ROS具有高氧化性且分解迅速，残留效应最小，并可通过高氧化电位反应直接从水中产生。

在ROS生成方法中，光催化尤其值得关注。无论是有机光催化剂（如叶酸和姜黄素），还是无机光催化剂（包括二氧化钛（TiO₂）和氧化锌（ZnO）纳米颗粒），都已被研究。这些纳米颗粒的传统合成方法通常依赖于物理和化学过程，涉及有毒的稳定剂、溶剂或还原性化学物质，导致生态问题、细胞毒性和潜在健康风险。为了克服这些缺点，最近的研究集中在利用生物资源绿色合成无机光催化剂。

在此背景下，本研究选择香蕉皮用于绿色合成ZnO纳米颗粒。香蕉皮不仅是丰富的农业副产品（通常作为食物垃圾丢弃），而且富含植物化学物质和有机化合物，如酚类、黄酮类和羧酸，这些物质在纳米颗粒形成过程中可作为天然的还原剂和封端剂。本研究采用香蕉皮提取物以简单、环保的方式合成ZnO纳米颗粒，从而将食物垃圾转化为有价值的资源，先前的研究已表明其具有抗菌特性和ROS生成潜力。

此外，人们开发了多种掺杂光催化剂，以提高在可见光条件下ROS的产生效率。光催化活性的一个基本要求是光能的存在，光能通过将电子从价带激发到导带来激活光催化剂。这些激发的电子与周围水分子相互作用，产生各种能够灭活微生物污染物的ROS。

光催化剂不仅可以通过光能激活，还可以通过其他物理刺激激活。其中一种方法涉及使用超声波（US），它会在水中诱发高频振动，导致微泡形成。这些微泡的随后破裂会产生局部极高的温度和压力区域，这种现象称为声空化。此过程增强了ROS的生成。值得注意的是，提高超声波频率已被证明与更高的ROS产量相关。当与光催化剂结合时，US可以进一步放大ROS的生成，从而增强杀菌效果。

尽管US与光催化处理之间存在有前景的协同作用，但缺乏在去污清洗背景下探索这种联合方法的研究。特别是，尚无研究探讨一种食物垃圾衍生的ZnO（香蕉皮）声动力方法在清洗水和多种食品接触表面的应用，或其在与工业清洗相关的高浊度条件下的稳健性。因此，本研究的目标是：（i）评估超声辅助ZnO处理对主要食源性病原体（大肠杆菌O157:H7、肠沙门氏菌鼠伤寒血清型和单核细胞增生李斯特菌）在清洗水中、食品接触表面上以及不同浊度条件下的灭活效果；（ii）通过评估ROS生成、脂质过氧化、膜完整性和DNA损伤来研究灭活机制。最终，本研究旨在探索香蕉皮衍生的ZnO与超声波结合作为食品相关环境中可持续灭活策略的潜力。

片段节选

香蕉皮提取物绿色合成ZnO纳米颗粒

通过绿色合成方法，利用香蕉皮提取物合成了ZnO纳米颗粒。从韩国首尔当地市场购得对应于成熟度5级的新鲜香蕉，该阶段酚类含量最高。将香蕉皮分离、清洗，然后在热风烘箱中60°C干燥48小时。将干燥的皮用研磨机磨成细粉，并通过筛分收集小于250微米的颗粒。

水处理

使用绿色合成的ZnO和超声波（US）的组合处理了三种食源性病原体。首先，如图S1所示，使用了从0.1到5 g/L的不同浓度的ZnO溶液以及不含ZnO的溶液，在US条件下灭活食源性病原体。随着ZnO浓度的增加，病原体减少量增加，而仅使用US的处理显示小于1-log的减少量。超过1 g/L的ZnO对大肠杆菌显示出大于5-log的减少量。

讨论

在本研究中，评估了香蕉皮掺杂氧化锌（ZnO）和超声波（US）联合处理对食源性病原体的杀菌效果，并研究了其潜在的灭活机制。本研究采用了低频超声波（20 kHz），与更高频率的应用相比，它能产生更高的自由基产率，为ZnO提供了有效的激活源，且无热效应干扰。

ZnO + US联合处理在清洗水和各种表面上对所有测试病原体均表现出强大的杀菌活性，实现了超过5-log的减少量。相比之下，单独使用ZnO或US仅导致有限的灭活。值得注意的是，ZnO + US的功效不受水浊度（高达1,000 NTU）的影响，这表明其在具有挑战性的环境中具有稳健性。

机理研究揭示，超声波减少了ZnO颗粒的聚集，并增强了活性氧（ROS）的生成，包括超氧阴离子和过氧化氢。这导致细胞内ROS增加、脂质过氧化和DNA损伤。透射电子显微镜（TEM）进一步证实，暴露于ZnO + US处理的细菌细胞遭受了严重的结构损伤。使用乳胶珠的对照实验证明，抗菌效应主要由ROS介导，而非物理颗粒冲击。

据我们所知，这是首次证明利用超声波激活、源自香蕉皮的绿色合成ZnO可用于食品表面和清洗水的去污，且其功效即使在高浊度下也能持续。总体而言，这些发现表明，超声增强的香蕉皮衍生ZnO处理为改善食品加工中的微生物安全提供了一种高效且可持续的方法。